Development of a Surface Magneto-Optic Kerr Effect Setup

Abstract

Fremskridtet indenfor teknologi har medført en stadigt stigende interesse indenfor magnetiske nanostrukturer. Eftersom disse magnetiske nanostrukturer har fundet anvendelse indenfor harddisk og magnetisk sensor teknologi, er kravene til størrelse og kontrol af reorientering af magnetiske momenter stigende. På grund af dette følger det at en metode til at karakterisere disse nanostrukturer er nødvendig. I årtier er netop den magneto-optiske Kerr effekt blevet anvendt til karakterisering af magnetiske film. Ved at kombinere konceptet med et UHV kammer, opnår man ydermere en metode til at karakterisere magnetiske egenskaber af strukturer i tyndfilm med en tykkelse i størrelsesordenen af et monolag. Derfor er den primære opgave af projektet at udvikle et overflade magneto-optisk Kerr effekt setup der kan tilpasses til et eksisterende UHV kammer. Anden del af projektet udgør en validering systemets funktionalitet, hvilket gøres igennem Kerr effekt målinger på Co tyndfilm. Generelt er projektet delt i tre: indledende teori, design og udvikling af systemetet og endelig validering af systemet igennem Kerr effekt målinger på Co tyndfilm. Den indledende teori indeholder afsnit, som er nødvendige for at forstå koncepter som magneto-optisk Kerr effekt og magnetiske egenskaber af tyndfilm. Indledningsvis introduceres de basale størrelser indenfor magnetismen i en semiklassisk/statistisk mekanisk adgangsvinkel. Herefter betragtes magnetisme i tyndfilm ud fra anisotropi. Endeligt diskuteres konceptet magnete-optisk Kerr effekt og der redegøres for hvordan en opstilling der udnytter det kunne konstrueres. Det ønskes at tilpasse opstillingen til et eksisterende UHV kammer der allerede indeholder en fordamper, masse spektrometre, LEED og et skannende tunnel mikroskop. For at simplificere design fasen af systemet blev en simplere indledende opstilling konstrueret hvor alt er placeret udenfor vakuum. Dette setup tjente også det formål at metoden som helhed blev valideret som karakteriseringsmetode med hensyn til magnetiske egenskaber. Mange forskellige koncepter blev overvejet i løbet af design fasen, de primære af disse er præsenteret kronologisk i forhold til hvornår de blev overvejet, sammen med fordele og ulemper ved det pågældende setup. Desuden præsenteres blueprints for alle de komponenter der optræder i det endelige setup. Det endelige setup indeholder adskillige komponenter og anvendelsesmuligheder. Generelt er systemet centreret omkring en specialfremstillet elektromagnet som kan levere ca. 200mT i en polær og longitudinal geometri. Endvidere er der tilføjet en kryostat som muliggør køling ned til -183°C til karakterisering ved lave temperaturer. Igennem Kerr effekt målinger blev det muligt at identificere diverse mangler i systemet, fx. problemer med vinduerne ind til kammeret samt høj grad af drift i intensity. På trods af disse mangler blev en hysterese kurve målt for en Co tyndfilm deponeret på Ag(111).

Interest in magnetic nanostructures has increased together with the technological progress. Application of magnetic nanostructeres in e.g. hard disk drives and as magnetic sensors is one of the reasons for increasing demands on size and control of the reorientation of magnetic moments. Based on this a versatile method for characterizing magnetic nanostructeres is essential. The magneto-optic Kerr effect has been used for decades in magnetic analysis, and by combining this concept with a UHV chamber one obtains a surface sensitive method for characterizing magnetic properties of structures in the monolayer range. Accordingly the primary objective of this project is to develop a setup utilizing the surface magneto-optic Kerr effect and adapt it to an existing UHV chamber. Secondly the setup is validated through surface magneto-optic Kerr effect measurements on Co thin films. Generally the project is separated in three parts: introductory theory, design and development, and finally validation of the system through Kerr effect measurements on Co thin films. The introductory theory contains the knowledge necessary in order to understand the concept of magneto-optic kerr effect and the magnetic properties of thin films. Initially the basic concepts of magnetism are defined through a semi-classical and statistical mechanical approach. Afterwards magnetism in systems of reduced dimensions, more specifically thin films, is regarded using anisotropy considerations. Finally the concept of magneto-optic Kerr effect is discussed and a setup utilizing the effect for magnetic probing is presented. It is desired to adapt the surface magneto-optic Kerr effect setup to an existing vacuum system already containing a vaporizer, mass spectrometers, LEED, and a STM. To ease the design of the system, a preliminary simplfified surface magnetooptic Kerr setup is fabricated outside of vacuum. This setup is also used to validate the method as a means to characterize magnetic properties. During the development of the main setup several concepts were considered, the primary are presented chronologically with regard to when they were considered along with pros and cons of the idea. Finally the blueprints for the components designed are presented for the entire final setup. The final setup comprises numerous components and applications. Overall the setup is centered around a custom designed electromagnet able to deliver app. 200mT in a polar and longitudinal configuration. Furthermore the addition of a cryostat enables cooling to -183°C for sample characterization at lowered temperatures. Through Kerr effect measurements various deficiencies in the setup are identified, e.g. problems with: the entrance windows to the chamber and large order intensity drift. Inspite of this a hysterisis loop is recorded for Co deposited on Ag(111).

A master thesis from Aalborg University

Development of a Surface Magneto-Optic Kerr Effect Setup